Modelling and Simulations of Contacts in Particle-Laden Flows

par Baptiste Lambert

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées et calcul scientifique

Sous la direction de Michel Bergmann et de Lisl Weynans.

Soutenue le 17-10-2018

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale de mathématiques et informatique (Talence, Gironde) , en partenariat avec Institut de mathématiques de Bordeaux (laboratoire) .

Le président du jury était Éric Climent.

Le jury était composé de Charles-Henri Bruneau, Aline Lefebvre, Rodolphe Turpault.

Les rapporteurs étaient Wim-Paul Breugem, Franck Plouraboué.

  • Titre traduit

    Modélisation et simulations numériques des contacts dans des écoulements chargés en particules


  • Résumé

    Les écoulements chargés en particules sont présents dans de nombreuses applications industrielles telles que le transport de boues ou l’industrie chimique en général. Dans des mélanges constitués de particules solides immergées dans un fluide visqueux, les interactions entre particules jouent un rôle essentiel dans la viscosité globale du mélange.Le phénomène de suspension est causé par des interactions hydrodynamiques à courte distance, connues sous le nom de lubrification. Les forces de lubrification sont généralement sous-estimées en raison de leur nature et de la discrétisation spatiale du problème.Dans cette thèse, nous proposons un modèle de lubrification qui estime les forces et couples hydrodynamiques non résolues par un solveur couplant la résolution des équations de Navier-Stokes incompressible par une méthode de volumes pénalisés, à la résolution de la dynamique des particules par une méthode aux éléments discrets. Les corrections des contraintes hydrodynamiques sont faites localement sur la surface des particules en interaction sans aucune hypothèse sur la forme générale des particules. La version finale du modèle de lubrification proposée peut être utilisée pour des suspensions de particules convexes sans aucune tabulation. La méthode numérique a été validée avec des particules sphériques et des ellipsoïdes, en comparant des simulations à des données expérimentales.Dans le cas de particules sphériques, le modèle de lubrification est aussi précis que les modèles de lubrification existants qui sont limités à ce type de géométrie. La compatibilité du modèle avec des particules convexes a été validée en comparant des simulations,utilisant des ellipsoïdes, à des mesures expérimentales que nous avons réalisées.


  • Résumé

    Particle-laden flows can be found in many industrial applications such as slurry transport or the chemical industry in general. In mixtures made of solid particles emerged in a viscous fluid, particle interactions play an essential role in the overall mixture viscosity. The suspension phenomenon is caused by short-range hydrodynamic interactions, known as lubrication. Lubrication forces are usually underestimated due to their singularities and the spatial discretization of the numerical schemes. In this thesis, we propose a lubrication model for a coupled volume penalization method and discrete element method solver that estimates the unresolved hydrodynamic forces and torques in incompressible Navier-Stokes flows. Corrections are made locally on the surfaces of the interacting particles without any assumption on the global particle shapes. The final version of the local lubrication model can be used for suspension of convex particles without any tabulations. The numerical method has been validated against experimental data with spherical and ellipsoidal particles. With spherical particles, the lubrication model performs as well as existing numerical models that are limited to this specific particle shape. The model compatibility with convex particles has been validated by comparing simulations using ellipsoids to experimental measurements we made.


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